新型高可靠波导式接收机保护器的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:刘 楠

  本文介绍一种L波段波导式无输入输出密封窗的新型接收机保护器结构,由于该结构的密封部分仅有放电间隙,因此相对于传统由输入输出密封窗所构成的全密封波导式TR接收机保护器而言,大大缩短了密封焊缝的线长度并使制造工艺得以优化,降低了因漏气而导致保护器失效的概率,从而提高可靠性。本文介绍了该结构的基本组成、仿真计算、应用和局限性。

  目前,波导式宽带接收机保护器仍然是各类雷达系统中的重要元器件,对其可靠性要求越来越高。由于波导元件的特性,L波段接收机保护器具有长度长、体积大等特点,相对应而言具有密封焊缝长、制造困难及可靠性低等缺点。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为如果仍然采用传统结构设计L波段以下的接收机保护器,将很难满足雷达系统发展对接收机保护器提出的高性能、高可靠及长寿命等要求。本文介绍一种全新的L波段接收机保护器结构形式,通过减少密封焊缝长度来降低漏气概率以提高接收机保护器的可靠性,且该结构形式制造工艺成熟简单、成品率高,完全满足整机使用要求。

1、结构设计

  气体的组分和压力是决定气体放电式接收机保护器寿命的一个主要因素,由于高频气体放电对工作气体几乎没有损耗,能够改变气体组分和压力的原因就是由各种因素造成的“漏气”,尤其慢性漏气是影响气体放电式接收机保护器可靠性的主要原因。剔除材料漏气隐患,零部件之间的密封性焊接所产生的焊缝是主要的漏气因素,因此焊缝长度越小漏气隐患越低。传统TRL接收机保护器的结构形式为:输入输出密封窗、放电间隙及限幅器、波导腔体,其中输入输出窗及每一个谐振单元的零件与波导腔体都要通过焊接进行连接,经统计一个典型的S波段接收机保护器中密封焊缝长度达1.5m,尤其是输入输出密封窗的焊接目前仍然采用的是锡焊,存在慢性漏气的概率相对较大。实际情况表明,在目前的制造工艺条件下,S波段约有5%的产品因慢性漏气失效。因此新结构的主要设计思路就是尽量减少焊缝长度并且避免锡焊。

  通过分析,在预放腔体+TR 管+限幅器(PTRL)结构形式中,由于工作气体放电的区域局限在预放电管、TR管密封窗和放电间隙部分。在大功率工作情况下,如果预放电管放电充分,TRL只需放电间隙放电再经过限幅器限幅就可以满足参数要求。因此,理论上可以通过选择适当的预放电管放电窗口取代TR管上的输入密封放电窗,仅在放电间隙处采用密封结构并充入工作气体确保放电间隙放电减小漏过功率即可,而TRL管的主体结构则采用不需密封的波导段来构成。最终采用两级石英管的预放电管结构形式,整管结构如图1所示,其中固定电极和调谐电极均使用传统的锥形结构,它们通过陶瓷筒密封,内部充工作气体,其余部分无需密封,预放电管部分和限幅器部分采用传统结构形式。陶瓷套筒内部的工作气体成分和压力参照传统接收机保护器选择。

  如图1所示,放电间隙部分采用陶瓷-金属封接,再将它固定在波导腔体内,其焊缝仅约为陶瓷套筒外圆周长的2倍,其余部分不需要气体密封,整管焊缝的长度约为0.22m,远小于该波段传统结构约2.5m焊缝。加之这种封接属非常成熟的封接工艺,漏气概率极低,因此具有高可靠、长寿命的预期。由于不需要整管密封,TRL的波导腔体部分可以使用硬铝材料,这样就减少了整管的质量和材料成本;而从制造工艺方面考虑,由于不需要大尺寸结构零部件的清洗、密封钎焊及检漏等,可大大降低产品制造工艺难度、提高生产效率,同时也使产品可靠性得以提高。在高功率(百千瓦级)工作状态下,高功率脉冲信号通过石英放电管的预先放电,再进入由陶瓷套筒密封的放电间隙进行放电,漏过的功率经两级半导体限幅器限幅,最后漏过的功率仅有10mW 左右;在低功率工作状态下,该结构接收机保护器和传统结构相同,都被视为带通滤波器,设计时主要考虑其传输特性,主要技术指标为电压驻波比和插入损耗,其由各谐振单元的特性决定。

放电间隙密封结构

图1 放电间隙密封结构

2、仿真计算

  这种新型结构形式的保护器根据带通滤波器设计原理,结合高功率技术指标要求和传统型接收机保护器设计经验进行初步设计,然后通过微波工作室软件(CST)进行仿真计算优化。经过对高功率性能指标要求的分解,决定该保护器采用两级石英预放电管、一级放电间隙和两级限幅器级联的结构形式,建模及结果如图2所示。

仿真模型及结果

图2 仿真模型及结果

3、验证及测试结果

  通过仿真计算出该保护器的各部分尺寸,再通过结构设计、零件加工、制管。样管试制一次成功,性能指标达到雷达整机技术要求,其电压驻波比、总插入损耗实测参数如图3所示。

低功率实测参数

图3 低功率实测参数

  向用户提交的产品已应用于整机,至今工作2年多,用户反馈较好,表1是样品在带宽8%时测试的技术指标实测值。

表1 参数测试值

参数测试值

4、结论

  本文中样管按整机系统要求采用BJ14型半高波导的结构形式,我们认为该结构可以推广应用在S波段以下的波导式接收机保护器中,但对于S频段以上产品,该密封放电间隙结构由于尺寸较小,在制造工艺上较难实现,即使能够实现,其批量生产产品的可靠性也很难保证。因此这种结构形式的接收机保护器在推广应用上有一定局限性。

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